Формирование понятия "фермент" в курсе биологии и связь с школьным курсом химии

-1
Формирование понятия “фермент” в школьном курсе биологии и связь с школьным курсом химии. 1. Введение
2. Формирование понятия “фермент” в курсе “Анатомия, физиология и гигиена человека”:
а) определение понятия “фермент” в теме “Общее знакомство с организмом человека”; б) развитие понятия “фермент” в теме “Пищеварение”;
в)рекомендации изменений в ходе формирования понятия “фермент” в теме “Пищеварение”; г) формирование понятия “фермент” в теме “Обмен веществ”; 3. Формирование понятия “фермент” в курсе “Общая биология”: а)формирование понятия “фермент” в теме “Учение о клетке”
б)завершение развития понятия “фермент” в теме “Обмен веществ и превращение энергии в клетке”
4. Методические разработки проведения факультативных занятий по теме “Фермент” в Х1 классе. 5. Выводы. -2 ВВЕДЕНИЕ
Одним из фундаментальных понятий, как биологии, так и химии является понятие “фермент”. Изучение ферментов имеет большое значение для любой области биологии, а также для многих отраслей химической, пищевой и фармацевтической промышленности, занятых производством биологически активных веществ для медицины и народного хозяйства.
Поэтому одним из ключевых понятий общей биологии является понятие “фермент”. В школьном курсе биологии оно начинает формироваться с 1Х класса в курсе “Анатомия, физиология и гигиена человека”. В Х классе с этим понятием учащиеся не встречаются, а в Х1-- оно дается при объяснении ряда важных биологических положений на качественно новом уровне. В школьном курсе химии понятию “фермент” уделяется мало внимания, упоминание о ферментах можно найти только в Х1 классе, поэтому на предмет биология выпадает главная роль при знакомстве учащихся с одним из главных понятий биологии и химии. -3
Формирование понятия “фермент” в курсе “Анатомия, физиология и гигиена человека”
Впервые с термином “фермент” учащиеся встречаются во вводной главе курса “Анатомия, физиология и гигиена человека”, которая называется “Общее знакомство с организмом человека”, в ней дается общее представление о жизненных процессах клетки. Здесь же впервые дается определение этому понятию: ферменты—это белки, ускоряющие химические превращения, происходящие в клетке. Акцент, в определении, на белковую природу ферментов позволяет создать учащимся общее преставление о строении, составе и свойствах ферментов, по аналогии с белками. К сожалению, при изучении тем: “Опорнодвигательная система”, ”Кровь”, “Кровообращение” и “Дыхание”, которые по плану изучения анатомии идут после главы “Общее знакомство с организмом человека”, понятие “фермент” не упоминается и, следовательно, не закрепляется и из активной биологической лексики “выпадает”.
Нам кажется, что было бы целеособразнее, определение понятия “фермент” давать учащимся при изучении темы “Пищеварение”, где на конкретных примерах можно объяснить биологическую роль, механизм действия, значение и другие свойства ферментов. Характерной особенностью этой темы с точки зрения понятия “фермент” является то, что разбирается процесс пищеварения дробно, т. е. отдельно для каждого отдела желудочно-кишечного тракта. Это позволяет познакомить учащихся с большим количеством ферментов, а для них легче запомнить.
При изучении этой темы учащиеся узнают, что расщепление основных компонентов пищи представляет собой сложный биохимический процесс, который осуществляется с помощью пищеварительных ферментов. Важно создать у учащихся представление о ферментах, как строго спецефичной группе белков: одни ферменты воздействуют на углеводы, другие на белки, третьи --- на жиры. Также создать понятие о четкой функциональной специализации ферментов на определенные биологические субстра -4
ты. В этой же теме дается представление об оптимальных условиях для проявления спецефических свойств ферментов: температура, кислотность среды. При изучении пищеварения в ротовой полости ученики знакомятся с расщеплением крахмала. Здесь они узнают, что в слюне содержится два фермента, которые вырабатываются в эпителиальных клетках слюнных желез. Под действием одного из них крахмал расщепляется на вещества, имеющие менее сложные молекулы—солодовый сахар, в присутствии другого фермента солодовый сахар превращается в глюкозу. От учителя учащиеся узнают, что в слюне содержатся амилолитические ферменты: птеолин, расщепляющий крахмал до мальтозы, и мальтаза, расщепляющая мальтозу до глюкозы. Условия действия ферментов слюны- это слобощелочная среда и температура 37 градусов по Цельсию.
При изучении пищеварения в желудке учащиеся знакомятся с новым ферментом, содержащимся в желудочном соке—пепсином. Пепсин расщепляет белки и может действовать только при температуре нашего тела и в кислой среде. Такую среду в желудке создает соляная кислота, которая содержится в самом желудочном соке.
Пищеварение в двенадцатиперстной кишке промсходит под воздействием поджелудочного сока. Три фермента этого сока действуют на все органические соединения. Под влиянием трипсина в основном завершается начавшееся в желудке расщепление белков до образования растворимых в воде аминокислот. Под действием липазы происходит расщепление жиров на глицерин и жирные кислоты. В присутствии фермента амилазы крахмал, не подвергшийся пищеварительному действию слюны, расщепляется до глюкозы. Ферменты поджелудочного сока действуют только в щелочной среде при температуре нашего тела.
При характеристике ферментативной деятельности пищеварительных желез, в различных отделах пищеварительного тракта, важно обратиь внимание учащихся на спецефичность их расщепляющего действия на опреде ленные биологические вещества. Так в ротовой полости проявляется действие ферментов, расщепляющих крахмал; в желудке—расщепляющие бел -5
ки; в кишечнике, под действием ферментов секрета поджелудочной железы происходит расщепление всех основных компонентов пищи: белков, углеводов и жиров. При изучении темы “Пищеварение”, для лучшего усвоения материала целесообразно использовать таблицу, в которую входили бы отделы пищеварительного тракта; ферменты, содержащиеся в секрете желез каждого из этих отделов; субстраты и продукты реакции, а также условия протекания реакции. Например: Отделы пищевари тельного тракта Ферменты Действие фермента Оптимальные усло вия работы фермен. 1. Ротовая полость ( слюнные железы: cлюна) а) Птеолин б) Мальтаза Крахмал а) Маль тоза Мальтоза б) Глю коза Слабощелочная сре да. Температура 37 38 градус. по Цел. 2. Желудок ( желудочный сок) Пепсин На белки. Кислая Среда. Температура 37гр. 3. Двенадцатиперс- тная кишка (секрет поджелудоч ной железы) а)Липаза б)Трипсин в)Химотрипсин г)Амилаза Жиры а) Глице рин + жирные к-ты Белки б) Амино кислоты Крахмал г) Глюко за -6 Щелочная Среда. Температура 37гр.
В заключении нашего обсуждения темы “Анатомия, физиология и гигиена человека “ можно сделать следующие выводы: в этом курсе учащиеся знакомятся с ферментами в ознакомиткльном плане, их действии на уровне всего организма. -6
К сожалению, при изучении других тем данного курса, понятие “фермент” не затрагивается. Это очень плохо, т. к. у школьников создается впечатление, что ферменты участвуют только в процессах пищеварения. Поэтому задача учителя в следующих темах, таких как “Газообмен в легких и тканях”, ”Белковый, жировой, углеводный обмен” не забывать знакомить учащихся с ферментами, принимающими участие в этих процессах. Для учеников 9 класса не важен механизм этого участия, важно, чтобы они усвоили, что все реакции нашего организма катализируются какими-то определенными ферментами. Уже в 9 классе учитель должен показать важность межпредметных связей между биологией и химией. Следует использовать знания, полученные учениками при изучении неорганической химиии в курсе 8-9 классов (темы: ”Кислород, оксиды, горение”, ”Водород”, ”Кислоты, соли, основания”, “Строение вещества”). Формирование понятие “фермент” в курсе “Общая биология”
Дальнейшее знакомство с ферментами ученики продолжают в курсе “Общая биология”. Здесь происходит изучение ферментов на качественно новом уровне, закладываются основы для понимания важнейших процессов нашего организма . В этом курсе учащиеся изучают ферменты уже как часть нового класса органических соединений, с которым они позже встретяться в курсе “Органической химии”. Поэтому для учителя очень важно заложить начальные знания, которые потом понадобятся на уроках химии. Именно в этих курсах биологии и химии видна важность межпредметных связей, которую необходимо показать и ученикам.
Первая тема курса —“Учение о клетке”. Здесь дается понятие фермента как катализатора всех жизненно важных биохимических реакций, протекающих в элементарной структурной единице всего живого-клетке. При изучении этой темы учащиеся узнают о внутриклеточной локализации ферментов: в митохондриях, лизосомах, ядре, в мембранах или на мембранах. Так в частности, понятие “лизосома” объясняется следующим -7
образом: расщепление пищевых веществ с помощью ферментов называется лизисом, отсюда и название-лизосома. Внутри них сконцентрированы ферменты, которые способны расщеплять все пищевые вещества, поступающие в клетку. ”Для лучшего объяснения этой темы, а также для лучшего усвоения ее учащимися можно использовать таблицу: “Локализация ферментов внутри клетки” (Т. Т. Березов, Б. Ф. Коровкин, ”Биологическая химия”, 1982г. )
Цитоплазма Митохонд. Лизосомы Микросом. Плазматич. Ядро фракц. ЭПС
Ферм. глико Пируват- кислые Рибосомные Аденилат- Фер. реп лиза дегидро- гидро- ферменты циклаза, ликации геназный лазы белков. синт. АТФ-аза ДНК комплекс Ферменты Ферменты --- Фер. синтеза --- --
пентозного цикла фосфолипид. , пути Кребса синтез. холисте рина Фер. активац. Ф. цикла --- Гидроксилазы --- --- аминокислот жир. к-т Ф. синтеза Ф. окислит. --- --- --- --- жирных фосфори к-т лирования Фосфорилаза --- --- --- --- -- гликоген синтаза
Завершение развития понятия “фермент” происходит в теме “Обмен веществ и превращение энергии в клетке”. В этой теме полное представление о ферменте, ферментативной реакции, значении их для обмена. Здесь дается учащимся представление о структуре, механизме действия, классификации ферментов. Вводятся новые понятия, которые позже будут использоваться в химии. Это субстратный комплекс, кофермент, регуляторный комплекс. Про -8
цессы ассимиляции и диссимиляции, их взаимосвязь в общем процессе метаболизма. Также важно объяснить, что все ферментативные процессы регулируются. Дальше в этой работе будет рассмотрен один из возможных вариантов проведения факультативного занятия по этой теме, где уже более детально будут рассмотрены эти вопросы.
Таким образом формирование понятия “фермент”, начинается в 9 классе, идет от простого к сложному. Наиболее сложный материал в 11 клас
се. Это связано с разным уровнем развития учеников 9 и 11 классов, с разной их способностью к восприятию сложного научного материала.
Благодаря тому, что учащиеся знакомятся с понятием “фермент” в курсе биологии достаточно рано и почти на протяжении всего курса все время с ним сталкиваютс и познают все глубже и глубже, это облегчает задачу учителя в курсе химии. А так как мы учителя биологии и химии, то это особенно важно для нас. На стыке этих двух наук учащихся важно познакомить с проблемой использования ферментов в промышленности. Этому мало уделяется внимания , как в курсе биологии, так и химии. Поэтому можно провести отдельное факультативное занятие, как по химии, так и по биологии вместе. Темой для него послужит роль фермента в хозяйственном комплексе: в химической, пищевой, фармацевтической промышленности. Можно дать учащимся темы по которым они подготовят маленькие выступления по использованию того или иного фермента. В качестве материала в помощь может послужить следующая таблица:
“Некоторые примеры использования ферментов в промышленности”
Фермент Промышленность Использование Амилазы Пивоваренная Осахаривание содерж. в солоде крахмала
(расщепляют Тектильная Удаление крахмала, наносимого на нити во крахмал) время шлихтования
Хлебопекарная Крахмал в глюкозу. Дрожжевые клетки сбраживая глюкозу, образуют CO2 , кото рые разрыхляют тесто. Протеазы (расщепяют белки) -9
Папаин Пивоваренная Этапы процесса пивоварения, регулирующие кол-во пены Мясная Мягчение мяса.
Фицин Фармацевтическая Добавки к зубным пастам для удаления зуб ного налета Фотография Смывание желатины с использованной плен ки Трипсин Пищевая Произ-во продуктов для детского питания Пепсин Пищевая Произ-во “готовых” каш
Разработка методики факультативных занятий и системы самоконтроля. Мы хотели бы предложить методические разработки для проведения факультативных занятий по теме “Ферменты и их роль “. Эти занятия должны проводиться, когда учащиеся проходят тему “Обмен веществ и энергии в клетке”. Главный смысл этих факультативных занятий-это более углубленное изучение учащихся с ферментами и их ролью . Это можно сделать на достаточно хорошем уровне, т. к. к этому моменту шклольники уже неоднократно сталкивались с понятием “фермент” в курсе биологии и проходят такие классы органических соединений , как “Белки”, ”Аминокислоты” в химии. Это дает учителю возможность во-первых более полно, и на качественно новом уровне говорить о биохимических процессах, проходящих в организме человека и роли в них ферментов в курсе биологии и во-вторых обратить внимание учащихся на важность таких классов соединений как “Белки”, ”Аминокислоты” в процессах, протекающих в клетках и в организме в целом. Данные факультативные занятия целесообразно проводить в кабинетах химии и биологии, т. к. важно провести ряд химических опытов.
Занятие N1 “Знакомство со строением ферментов, их классификацией, ролью в организме”. Ферменты-вещества белкововой природы, способные ускорять протекание химических реакций. Роль ферментов в жизнедеятельности колоссальна. -10
Благодаря своей функции (каталитической) разнообразные ферменты обеспечивают быстрое протекание в организме огромного числа химических реакций. В настоящее время выделены и изучены сотни ферментов известано, что живая клетка может содержать до 1000 различных ферментов, каждый из которых ускоряет ту или иную химическую реакцию.
Ферменты-это эффективные биологические катализаторы. (Понятие “катализатор” для учеников знакомо из курса неорганической химии. ) Они участвуют в большинстве химических превращений, происходящих в организме. Все процессы, протекающие в организме, т. е. процессы метаболизма деляться на два процесса: прцесс ассимиляции и прцесс диссимиляции. Важно дать определения этих двух понятий и это можно сделать следующим образом:
Ассимиляция-множество химических реакций, осуществляемых с участием ферментов, позволяющих использовать поступающие в организм вещества для синтеза специфичных для данного организма белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и т. д. ,что обеспечивает рост, развитие, обновле
ние организма и накопление запасов, используемых в качестве источников энергии. Диссимиляция-это разрушение органических соединений с превращением белков, жиров, углеводов, включая введенные в организм с пищей, в простые вещества.
Так ферменты катализируют каждый из этих процессов. Таким образом ферментативные реакции подразделяются на реакции синтеза(ассимиляции) и реакции распада(диссимиляции). Эти реакции в организме взаимосвязаны, обеспечивая постоянное обновление тканей организма и следовательно постоянство внутренней Среды организма. Важно подчеркнуть для учащихся различие в протекании процессов метаболизма у аутотрофных и гетеротрофных организмов. Так у аутрофных организмов преобладает процесс ассимиляции, т. к. в процессе фотосинтеза, из неорганических соединений, и непосредственным использовании энергии све -11
та, соэдаются сложные органические вещества. У гетеротрофов построение собственного организма и обеспечение всех жизненных функций идет за счет энергии, получаемой в процессе диссимиляции органических веществ. Можно сделать вывод, что все биохимические процессы, протекающие в клетке и в организме, можно отнести к процессам ассимиляции, либо к процессам диссимиляции. Попав внутрь клетки, питательные вещество претерпевает ряд химических изменений, катализируемых ферментами.
Теперь можно перейти к строению. Для выполнения своих функций ферменты имеют определенное строение. Для углубления представлений учащихся о структуре и классификации ферментов можно ввести следующие понятия:
1. Ферменты могут быть протеинами(простыми белками) и протеидами(сложными белками). Во втором случае в состав ферментов входит добавочная группа. Характерной особенностью ферментов-протеидов является, что ни основная белковая часть, ни добавочная группа по отдельности не обладают каталитической активностью. Только их комплекс прявляет ферментативные свойства. Добавочная группа(кофактор)-небелкового происхождения (ионны металлов, различные органические соединения). 2. Фермент имеет следующие центры:
а)Активный центр (Результаты исследований показали, что молекулы большинства ферментов во много раз больше, чем молекулы тех субстратов, которые взаимодействуют с данным ферментом, и что в контакт с субстратом в фермент-субстратном комплексе вступает лишь небольшая часть молекулы фермента, получившая название активного центра), б) Субстратный центр, в) Регуляторный центр.
Также на данном занятии необходимо познакомить учащихся с классификацией ферментов. Можно дать историческую справку развития классификации ферментов. Так по первой в истории изучения ферментов класси -12
фикации, ферменты делили на две группы: 1-ускоряюшие реакции гидролиза и 2- на ускоряющие реакции негидролитического распада. Затем была сделана попытка разбитьферменты на классы по числу субстратов, участвующих в реакции. Одновременно развивалось направление, где в основу классификации ферментов был положен тип реакции, подвергающейся каталитическому воздействию. Наряду с ферментами, ускоряющими реакции гидролиза(гидро-лазы), были изучены ферменты, участвующие в реакциях переноса атомов и атомных групп, расщеплении, различных синтезах. По этому принципу все ферменты делят на 6 классов:
1. Оксидоредуктазы-ускоряют реакции окисления-восстановления 2. Трансферазы-реакции переноса атомных групп и молекулярных остатков 3. Гидролазы- реакции гидролитического распада и синтеза
4. Лиазы-негидролитическое отщепление от субстратов определенных групп атомов 5. Изомеразы-реакции внутримолекулярного превращения 6. Липазы-рекции синтеза Занятие N2 “Свойства ферментов, механизм их действия”
На этом занятии нужно более подробно дать учащимся понятия о субстратном и регуляторном центрах фермента, это важно для понимания механизма их действия. Под субстратным центром понимают участок молекулы фермента, ответственный за присоединение вещества, подвергающегося ферментативному превращению. Из неорганической химии учащимся известно, что по окончании реакции катализаторывосстанавливают свою структуру и свойства. Зная это, можно подвести учащихся к выводу об образовании временных прмежуточных соединений между ферментами и субстратами. Так фермент соединяясь с субстратом, образует короткоживущий фермент-субстратный комлекс. В таком комплексе шансы на то, что реакция произойдет возрастают. По завершении реакции фермент-субстратный -13
комплекс распадается на продукт (или продукты) и фермент. Фермент в реакции не изменяется.
Понятие о работе ферментов будет неполным без раскрытия проблемы регуляции их действия. Поэтому следует отметить, что в молекулах ферментов, кроме активного и субстратного центров, есть регуляторный центр, который структурно соответствует конечному продукту определенного этапа обмена. Достигнув определенной критической концентрации, конечный продукт реакции взаимодействует с центром регуляции фермента и останавливает работу системы по принципу обратной связи: концентрация крнечного продукта служит сигналом выключения или запуска специфической химической реакции. Контроль и регуляция деятельности ферментов обусловлены их молекулярной структурой, которая способна “узнавать” определенные ыещества-сигналы и суммировать их действие. Важно познакомить учащихся и свойствами ферментов. 1. Специфичность
Ферменты обладают очент высокой специфичностью. Эта специфичность обусловлена особой формой молекулы фермента, точно соответствующей форме молекулы субстрата. Эту гипотезу называют гипотезой “ключа и замка”: субстрат сравнивается в ней с ключом, который точно подходит к замку, т. е. к ферменту. Далее на основании этой гипотезы уже в 1959 году новую интерпретацию гипотезы “ключа и замка” предложил Кошланд. Он делает вывод о гибкости активных центров ферментов. Согласно этому предположению, субстрат соединяясь с ферментом, вызывает изменения в структуре последнего. Подходящей аналогией в этом случае может служить перчатка, которая при надевании на руку соответствующим образом изменяет свою форму.
Для подтверждения этого свойства ферментов можно показать опыт из биохимии. Для этого берутся 4 пробирки: 1, 2- по 2мл раствора крахмала 3. 4-по 2мл раствора сахарозы -14 Затем в 1, 3 -по 0. 5мл раствора слюны 2, 4-по 0. 5мл 1% дрожжевой сахарозы
Перемешиваем, на 10 минут в водяную баню, охлаждаем, из пробирок 1, 2 стеклянной палочкой берем капли и капли Y2 в KY, соединяем капли-синий цвет. Из пробирок 3, 4-берут по 3 мл, смешиваем с 1 мл 10% NaOH + несколько капель 1% CuSO4 - желтый или красный осадок(в зависимости от темпер. на амилазу слюны). 2. Термолабильность
Температура важный показатель ферментативного действия. Для каждого фермента существует определенный температурный оптимум, обеспечивающий наибольшую активность. За пределами этого уровня скорость ферментативной реакции снижается. Для нагладности рекомендуется продемонстрировать следующий опыт: Берутся 4 робирки по 2 мл 1% крахмала+0, 05 мл разбавленной в 10 раз слюны, перемешивают и ставят в разные температурные условия. Ход гидролиза определяют по реакции с У2 (в КУ). Пробы берут через 2, 4, 6, 8, 10, 12 минут. По изменению окраски крахмала с иодом судят о степени гидролиза крахмала в каждой пробирке. Система самоконтроля учащихся.
Также в данной работе мы хотели бы предложить систему самоконтроля учащихся. Карточки самоконтроля представляют собой свод вопросов по теме, составляемые преподавателем. Вопросники раздаются школьникам на дом. Дома, в процессе подготовки учеников к занятиям, они ищут ответы на поставленные вопросы в учебных пособиях. Затем во время проведения фекультативного занятия учащимся раздаются карточки, содеожащие 2-3 вопроса, входящие в состав самоконтроля. Ответы письменные. Таким образом проверяются знания учащихся, степень осмысления ими метериала. Самоконтроль может решать несколько задач: -15
1. концентрированние внимания школьника на ключевых вопросах темы 2. постановка проблемных вопросов
3. самоконтроль может содержать вопросы на повторение пройденного метериала и связь его с настоящим материалом, вопросы обощающего характера. Примерные вопросы для самоконтроля:
1. Обмен веществ - сочетание и взаимосвязь процессов ассимиляции и диссимиляции. 2. Образование АТФ в клетке. АТФ- универсальное “топливо” клетки. 3. Локализация ферментов углеводного обмена. 4. Локализация ферментов биосинтеза белка. 5. Мультиферментативные системы, их локализация и функции. Выводы.
1. Развитие общебиологических понятий, к числу которых можно отнести понятие “фермент”, является теоретической основой обучения как биологии, так и химии. 2. Развитие понятия о ферментах способствует формированию у учащихся знаний, которые необходимы для расширения общего научного кругозора. 3. В связи с важностью формирования понятия “фермент”, а так же из-за недостатка времени, рекомендуетсяпроведение факультативных занятий. Несколько занятий разработаны нами.